ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАЗМЕЩЕНИЕ ВЗРЫВОСТОЙКИХ ЗДАНИЙ

20.4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАЗМЕЩЕНИЕ ВЗРЫВОСТОЙКИХ ЗДАНИЙ

В данном разделе рассматриваются опасности, возникающие в результате взрывных явлений. Автор настоящей книги считает, что меры, предпринимаемые для защиты зданий от взрывов, почти адекватны мерам, предпринимаемым для защиты зданий от огневых шаров. Опасность токсических выбросов в данном случае обсуждаться не будет. Основное внимание уделено защите от взрыва парового облака, хотя рассматривается также защита от физических взрывов и взрывов конденсированного вещества.

20.4.2. ЗАЩИТА ОТ ВЗРЫВОВ КОНДЕНСИРОВАННОГО ВЕЩЕСТВА

20.4.2.1. АНАЛИЗ КРИСТОФЕРСОНА

Основополагающей в данной области является работа Кристоферсона [Christopherson.1946], в которой детально рассмотрены результаты воздействия на здания взрывов бризантного взрывчатого вещества (высокочувствительного ВВ). Эти вопросы, однако, имеют отношение главным образом к военным аспектам данной проблемы, и многие из них неуместны в данном анализе: так, например, в работе Кристоферсона исследуются бомбоубежища и бронебойные снаряды.

В одном из разделов, представляющем определенный интерес и посвященном теории размерности и разрушению зданий, сделан следующий вывод: закон Хопкинсона (см. разд. 10.5.4) может быть использован для того, чтобы предсказать разрушения на основе модельных испытаний зданий на разрушение. Кристоферсон и привлек внимание к ряду масштабных эффектов, отступающих от закона Хопкинсона. Совершенно очевидно одно: гравитационные силы (тяжесть здания) не могут быть промасштабированы; это усложняет прогнозирование разрушения зданий. Реальные здания разрушаются сильнее из-за осколочной нагрузки на верхние этажи, хотя характер разрушения аналогичен модельному. В этом случае рассматривается ситуация, в которой разрушение модели сравнивается с реальным и без учета масштабной зависимости, которая проявляется в том случае, когда определяющий размер мишени не связан постоянным соотношением с радиусом, соответствующим заданному уровню избыточного давления. Данный вопрос обсуждается ниже. Кристоферсон отметил, что закон Хопкинсона не учитывает временную зависимость давление/деформация в материалах типа железобетона.

20.4.2.2. БЕЗОПАСНЫЕ РАССТОЯНИЯ

Отчет [Неа1у,1965], созданный на основе опыта второй мировой войны, посвящен безопасным расстояниям для складов с обычными ВВ, что не попадает в поле данного обсуждения, но доклад содержит многочисленный материал, представляющий для нас определенный интерес.

Один из методов, рассмотренных в отчете, заключается в попытке установить расстояние, на котором достигается определенный уровень разрушения здания в зависимости от заданной массы ВВ. Для достижения максимального взрывного эффекта в качестве источника взрыва принимался стандартный заряд ТНТ (тринитротолуол, тротил). Результаты выражаются в значениях массы ВВ, а не массы всего заряда.

Категории разрушений следующие:

А. Полное разрушение здания.

В. Серьезное разрушение, обусловливающее необходимость полного сноса здания.

Са. Разрушение здания, исключающее возможность его использования для жилья во время войны.

СЬ. Разрушение здания, оставляющее возможность его использования для жилья во время войны.

D. Разрушение здания, требующее срочного ремонта.

Автор отчета утверждает, что "данные категории могут быть строго определены". Трудно поверить в это, к тому же иллюстрации отчета представляют широкий круг примеров, составляющих категорию В. Так, на одной иллюстрации показано здание с 75% разрушенных наружных стен, на другой - здание с полностью сохранившимися, но давшими значительные трещины стенами.

Радиусы этих категорий разрушения были определены (по-видимому, автором отчета. - Ред.) как результаты умножения радиуса RВ (радиус разрушений категории В) на следующие коэффициенты:

Категория разрушения	Коэффициент
А В Са 90%-ное разрушение остекления 50% -"- 5% -"-	0,675 1.0 1,74 5,0 10 20

Данные формулы предназначены для вычисления средней величины Rg. С целью согласования с теми единицами, которые используются в данной книге, формулы приведены к следующему виду:

Rg =56 ∙ Q1/3/[1+(100/Q)1/2]1/6

где Rg - радиус разрушений категории В, м; Q - масса ВВ, т.

Отчет привлекает внимание к тому факту, что при Q > 4 т зависимость Rg аппроксимируется выражением

RB = 56-Q1/3,

т. е. в этой области RB является величиной, вычисляемой по закону Хопкинсона. (Закон Хопкинсона не упоминается в отчете [Неа1у,1965].) Хотя автор отчета и не говорит об этом, однако можно показать, что для малых значений Q зависимость уменьшится до

RB = 38∙Q2/3

Таким образом, показатель степени Q находится в зависимости от массы ВВ и лежит в пределах 1/3 - 2/3. Это объясняет использование показателя, равного 1/2, для определения "расстояния безопасности" в соответствующих нормативных документах Великобритании, так же как и во французских и американских нормативах, которые уже были изданы к моменту написания отчета [Healy.1965].

Представляется более адекватным вид уравнения, в котором показатель степени Q изменяется с изменением значений Q. Как следствие необходимо уменьшить расстояние безопасности британских нормативов для больших значений Q. На основании опыта второй мировой войны комитет, издавший отчет [Неа1у,1965], сделал вывод: для больших величин Q расстояния безопасности 1934 г. являются завышенными.

Следует объяснить очевидную масштабную зависимость RB, т. е. тот факт, что RB не является приведенным расстоянием при малых величинах Q. Объяснение, с нашей точки зрения, заключается в том, что при малых Q размеры зданий становятся сравнимыми с RB. При Q = 1 кг получается

RB = 5,6 м. Если произвести взрыв такого количества ВВ непосредственно перед зданием, т. е. при нулевом удалении от здания, большая часть здания будет находиться вне расстояния RB. Таким образом, для зарядов ВВ менее нескольких тонн реальное расстояние RB будет меньше, чем следовало бы ожидать из расчета приведенного расстояния. Так, для зарядов ВВ менее 100кг расстояние RB почти не имеет значения для здания в целом. На рис. 20.1 представлена зависимость значений RB от массы ВВ. Есть определенные сомнения по поводу точности представленных значений RB. Автор отчета имел в виду средние значения радиуса, но не указал дисперсию этого значения. Дисперсию можно рассчитать с учетом следующих факторов:

1. Неопределенность, связанная с калибром снаряда.

2. Возможность перекрытия соседних взрывов. Малые заряды, сбрасываемые серией при бомбометании с самолета, могут достигать земли с удалением около 100 м друг от друга. При скорости самолета 450 км/ч они взрываются с секундным интервалом.

3. Различие между зданиями: разные размеры зданий; обособленное здание или здание, имеющее общую стенку с другим зданием.

Разница сроков службы зданий, типов конструкций и т.д. (Здания не являются "калиброванными" объектами научных исследований.)

4. Субъективность в оценке категорий разрушения. Официальные лица расходились во мнениях с учеными-экспериментаторами, так как их работа была связана с разрешением насущных человеческих нужд. Например, при оценке "пригодности жилья" могло оказать влияние наличие альтернативного жилья.

Рис. 20.1. Значение RB в зависимости от массы ВВ.

20.4.2.3. СТЕПЕНЬ РАЗРУШЕНИЙ КАК МЕРА ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ

Следующим шагом в анализе (он отсутствует в отчете [Неа1у,1965]) является установление соотношения между радиусом разрушений и соответствующими значениями избыточного давления на основе результатов данных боевых действий. При этом необходимо предположить, что воздействие избыточного давления снаряда с взрывателем ударного типа аналогично действию, производимому на испытательном полигоне. На рис. 10.2 представлены данные только для полусферических зарядов ТНТ, которые несравнимы со снарядами с таким же объемом заряда. Исходя из представленных на рисунке значений, можно получить для категории разрушений А уровень избыточного давления 70 кПа.

В табл. 20.1 приведены некоторые значения избыточного давления, график соответствующей зависимости приведен на рис. 20.2.

ТАБЛИЦА 20.1. Зависимость категории разрушения от избыточного давления

Рис. 20.2. Зависимость избыточного давления от приведенного расстояния.

20.4.2.4. ЗАЩИТА ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОСКОЛКОВ (СНАРЯДОВ)

Сильное разрушение операторного здания, вызванное детонацией конденсированного ВВ, маловероятно. Такое разрушение может произойти в результате детонации органических пероксидов (перекисей), которые обладают относительно низким ТНТ-эквивалентом (около 20%). Дальнейшим продолжением аварии могут стать неконтролируемые химические реакции или физические взрывы, которые могут произойти при разрушении сосудов, находящихся под давлением (камеры высокого давления).

Там, где необходима защита здания от любых ударных нагрузок, применимы рассмотренные ниже варианты защиты здания от взрыва парового облака.

Взрыв конденсированного вещества более опасен с точки зрения образования осколков (фрагментации), чем взрыв парового облака, из-за гораздо большей величины начального давления; данные вопросы рассмотрены в работе [High,1980]. Хай утверждает, что в случае дробления на многочисленные фрагменты около 30% энергии сосуда, находящегося под давлением, перейдет в кинетическую энергию фрагментов.* В ряде случаев, когда, например, отбрасывается кронштейн термопары, происходит передача до 60% энергии. Этот максимум энергии передается мишени при соударении; в действительности аэродинамическое сопротивление уменьшает энергию осколка сообразно увеличению длины полета.

Автор настоящей книги перевел в единицы СИ зависимость, полученную Кристоферсоном в ходе экспериментов с железобетоном, в которых применялись зажигательные снаряды с различной массой и скоростью, но неизменным диаметром, равным 50 мм:

где D- - глубина проникания осколка, мм; М - масса осколка, кг; V - скорость осколка, м/с. Когда М = 1 кг и V = 60 м/с (в момент удара), глубина проникания Dp равна 70 мм.

Необходимо отметить, что рассматриваемый вариант представляет собой случай максимального повреждения. Данное соотношение показывает, что существенное проникание может быть достигнуто в результате воздействия небольшого по размерам осколка.

Кристоферсон привлек внимание к явлению "откола", происходящему в бетоне, и утверждал, что более половины достигаемого проникания - результат этого явления. В момент соударения осколка о переднюю поверхность бетонной плиты в ней возникает ударная волна, которая распространяется в направлении задней поверхности плиты и движется впереди осколка. Это может способствовать возникновению воронки, из которой в обратном направлении с силой выбрасываются обломки бетона. Если осколок обладает достаточной кинетической энергией, передняя и задняя воронки соединяются и в точке соударения осколка с плитой не возникает дальнейшего сопротивления перемещению осколка, хотя оно и будет замедлено. С точки зрения военных, раскалывающуюся

* Простейшие оценки, основанные на законе сохранения энергии и уравнении состояния идеального газа, позволяют оценить долго кинетической энергии фрагментов в общей энергии, высвобождающейся при полном разрушении резервуара под давлением, как 0,6. В реальных авариях отмечены радиусы разлета фрагментов массой 1 - 4 т до 200 - 500 м. - Прим. ред.

плиту необходимо укрепить, для чего устанавливается стальная плита у задней поверхности бетонной плиты; хотя это и не способствует предотвращению скалывания, однако может препятствовать выбросу обломков бетона. Реализация такой защиты откалывающихся стен операторных зданий представляется сомнительной с учетом стоимости подобной конструкции.

Масса осколков может достигать нескольких тонн, а радиус разлета - сотен метров. В книге [Brasie,1968] в качестве примера приведены турбина массой 1 т, отброшенная на расстояние около 1500 м, и 60-тонный сосуд под давлением, отброшенный на расстояние около 400 м.* Некоторые из примеров аварий, рассмотренные в данной книге, свидетельствуют о том, что части (осколки) дорожно-транспортных средств были отброшены в результате чисто физических взрывов на расстояния порядка 400 м.